Fyzikální seminář 2014 Jak zapálit bublinu?? Laserem! Ondřej Tyle

Osnova: Úvod do problematiky Laser Laserová jiskra Co se tam děje? Užití Zdroje 2/11

Úvod do problematiky Bubliny?? Jaký laser?? 3/11 Heyrovského ústav Fyzikální chemie. - Martin Ferus PALS – Jiří Skála 3/11

Laser Laser je zkratka Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.  Zdroj dodává energii na excitaci prostředí.  Vznik inverzní populace. Při přechodu zpět se uvolní energetické kvantum. V rezonátoru se paprsky odrážejí zpět. Uvolnění paprsku polopropustným zrcadlem. Laser je zkratka Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což je „zesilování světla pomocí stimulované emise záření“. Ze zdroje je do laseru dodávána energie, která excituje elektrony aktivního prostředí do vyšší energetické hladiny. Takto je do vyšších energetických stavů vybuzena většina elektronů aktivního prostředí a vzniká tak tzv. inverze populace. Při přechodu elektronu zpět na nižší energetickou hladinu se uvolní energie ve formě fotonu, kterému se říká energetické kvantum. Aktivní část laseru je umístěna do rezonátoru, který odráží paprsky fotonů zpět na aktivní prostředí a tím se ještě více podporuje stimulovaná emise. Když je paprsek dostatečně velký, projde přes polopropustné zrcadlo ven z rezonátoru. 4/11

Druhy laserů Podle aktivního prostředí: Podle vlnové délky: Plynové lasery - Nejdůležitějšími jsou CO2 laser a excimerový . Kapalinové lasery - Barva paprsku se dá měnit užitím různé barvy kapaliny. Pevnolátkové lasery - Nejvýznamnější je neodymový YAG laser. Polovodičové / diodové lasery - Nejmladší typy laserů. Podle vlnové délky: Do této kategorie patří lasery infračervené, lasery viditelného pásma, ultrafialové a rentgenové lasery. Podle typu buzení: opticky (světlem) - vláknové lasery elektrickým výbojem - CO2, He-Ne, chemicky - chemické lasery používané v armádě elektronovým svazkem tepelnými změnami Lasery lze dělit do mnoha kategorií. Uvedeny jsou zde pouze ty nejvýznamnější. Podle aktivního prostředí: V závislosti na prostředí mohou lasery produkovat různé barvy záření (vlnové délky). Plynové lasery – Nejdůležitějšími jsou CO2 laser a excimerový laser. Dále existují ještě helium-neonový, argon-iontový a jódový laser. Pevnolátkové lasery - Nejvýznamnější je neodymový YAG laser. Využívá syntetický monokrystal yttrium-aluminiového granátu, ve kterém jsou některé yttriové ionty nahrazeny neodymovými. Polovodičové / diodové lasery - Nejmladší typy laserů. K vytváření paprsku dochází v laserovém prostředí s velmi malým objemem. 5/11

PALS PALS – Jiří Skála 6/11

Je jeden z největších laserů v Evropě. Jeho základní vlnová délka je 1315 nm a v jednom pulzu je schopen dodat energii až 1 kJ. Laser je schopen vystřelit jeden pulz o délce asi 350 ps a energii 3 TW. PALS se skládá z řetězce navazujících komponent. Oscilátor generuje pouze slabý pulz, který prochází navazujícími komponenty, které ho zesilují. Poslední komponent tvoří interakční komora, ve které je příchozí laserový paprsek soustředěn do malého terčíku o průměru menšího než 0,1mm. Je jeden z největších laserů v Evropě, využívající jódový laser. Jeho základní vlnová délka je 1315 nm (infračervené světlo) a v jednom pulzu je schopen dodat energii až 1 kJ. Část svazků je možné oddělit od hlavního paprsku s určitým časovým odstupem. Laser je schopen vystřelit jeden pulz o délce asi 350 ps a energii 3 TW jednou za půl hodiny. Laserový paprsek je velmi kvalitní, homogenní, stabilní a při každém výstřelu stejný. PALS se skládá z řetězce navazujících komponent. Počáteční oscilátor generuje pouze slabý pulz, který následně prochází navazujícími komponenty, které ho zesilují. Průměr zesilovačů se postupně zvětšuje a tím se zvětší i průměr paprsku, který se z původních 8 mm zvětší na konečných 290mm. Poslední komponent tvoří interakční komora, ve které je příchozí laserový paprsek soustředěn do malého terčíku o průměru menšího než 0,1mm. Hustota světelného výkonu je zde potom až 1016W/cm2. 7/11

Laserová jiskra Laserová jiskra je jev, který vzniká při fokusování laserového záření v plynném prostředí. V ohnisku pak vzniká dobře definované a relativně horké husté plazma. Obvykle je doprovázeno rázovou vlnou. 8/11

Co se tam děje? Opakovaná ionizace elektronů Syntéza nanočástic (dokonce i organických) Pro nárůst počtu elektronů jsou známy dva mechanismy. První zahrnuje absorbci laserového záření elektrony, které, když přijmou určité množství energie, mohou srážkově ionizovat okolí podle rovnice: 𝑒^−+𝑀→2𝑒^−+𝑀^+ Kde 𝑀 je molekula plynu a 𝑒^− elektron. Při této reakci dochází ke kaskádovému průrazu a koncentrace elektronů roste exponenciálně s časem. Druhý mechanismus se nazývá mnohofotonová ionizace, při které atom či molekula přijme dostatečné množství energie z fotonů a tím je ionizována. Mnohofotonová ionizace se dá zapsat rovnicí: 𝑀+𝑛ℎ→𝑀^++𝑒^− 9/11

Užití Zapalování pohonných směsí Stimulace dopadu mimozemského tělesa do rané atmosféry planet Užití laserové jiskry není moc velké, ale v posledních letech se začala využívat v automobilovém průmyslu jako svíčka do motoru. Pomocí laserového paprsku se bude zápalná směs moci zapálit a svíčky navíc šetří 2%-3% paliva. Laserová jiskra se samozřejmě využívá i pro vědecké účely a to na simulaci dopadu mimozemského tělesa do rané atmosféry planet. 10/11

Zdroje Chem. Listy 99, 109 . 115 (2005) Diplomová práce-Vznik organických molekul iniciovaný procesy o vysoké hustotě energie v planetárních atmosférách(Michal Kamas-Praha 2010) Babánková, D. (2005). Využití velkých laserových jisker pro laboratorní simulaci chemických účinků dějů o vysoké hustotě energie v planetárních atmosférách. Disertační práce, 29-34. Babánková, D., Civiš, S., & Juha, L. (2006). Chemical consequences of laser-induced breakdown in molecular gases. Progress in Quantum Electronics 30, 75-88. Babánková, D., Svatopluk Civiš, & Libor Juha. (2005). CHEMICKÉ PROJEVY LASEROVÝCH JISKER. Chemické listy 99, 109-115. Ferus, M., Kubelík, P., & Civiš, S. (2011). Laser Spark Formamide Decomposition Studied by FT-IR Spectroscopy. The journal of physical chemistry, 12132-12141. Stimulovaná emise. Dostupné z: http://ciselniky.dasta.mzcr.cz/CD/hypertext/JVABW.htm Laser. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Laser Dělení laserů. Dostupné z: http://laser.zcu.cz/wiki/rozdeleni-laseru 11/11